MAX2360中频槽路设计

摘要

本应用笔记介绍了三个针对通用的IF频率设计的压控振荡器(VCO)，频率分别为：130MHz、165MHz和380MHz。这些设计可尽量避免为优化结果而进行的重复设计。利用简单的电子表格程序即可完成相应的分析

更多信息

概述

本应用笔记介绍了压控振荡器(VCO)的槽路设计方法，并给出了常用的中频(IF) 130MHz、165MHz、380MHz压控振荡器的设计实例。这些设计减少了为优化设计而进行的重复工作，具体分析可借助一个简单的电子表格实现。

VCO设计

图2表示MAX2360 IF VCO的差分槽路，为便于分析，所给槽路只是一个简单的等效模型。图1表示基本的VCO模型，振荡频率由式1表示：

EQN1

f_osc = 振荡频率
L = 槽路线圈的电感值
C_int = MAX2360槽路端口的内部电容
C_t = 槽路的总计等效电容

图1. 基本的VCO模型

R_n = MAX2360槽路端口的等效负阻
C_int = MAX2360槽路端口的内部电容
C_t = 槽路的总计等效电容
L = 槽路线圈的电感值

图2. MAX2360槽路

电感L与槽路等效电容和振荡器内部电容的总和产生谐振(C_t + C_int) (参见图1)。C_coup提供隔直流、并将变容二极管的可变电容耦合至槽路。C_cent用来确定槽路振荡频率标称值的中心。它不是必须的，但为在不同的电感量之间调谐谐振腔提供了便利条件。电阻(R)通过调谐电压(V_tune)为变容二极管提供相反的偏置。应选择足够大的阻值，以保证加载后的槽路Q值不受影响；另外，还要保证电阻值足够小，使4kTBR噪声可以忽略。电阻的噪声电压受K_vco调制后将产生相位噪声。电容C_V是槽路内部的可变调谐元件，变容二极管的电容(C_V)是反向偏置电压的函数(变容二极管模型参见附录A)。V_tune是来自锁相环(PLL)的调谐电压。

图3在VCO模型中增加了C_stray，寄生电容和寄生电感使所有射频(RF)电路的罪魁祸首，为估算振荡频率必须考虑寄生参数。图3用电容C_stray表示寄生元件，振荡频率可由式2表示：

EQN2

L = 槽路线圈的电感值
C_int = MAX2360槽路端口的内部电容
C_cent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
C_stray = 电容漂移
C_coup = 槽路电容，用来将变容二极管耦合至槽路
C_V = 变容二极管电容的净变量(包括串联电感)
C_vp = 变容二极管焊盘的电容

图3. Cstray模型
图3. C_stray模型

图4表示VCO模型的详细电路，它考虑了焊盘的等效电容，但为简便起见没有考虑串联电感。C_stray定义为：

EQN3

C_L = 电感的电容量
C_LP = 电感焊盘的电容量
C_DIFF = 平行引线的等效电容

图4. 详细的VCO模型

R_n = MAX2360槽路端口的等效负阻
C_int = MAX2360槽路端口的内部电容
L_T = 电感槽路引线的串联电感
C_DIFF = 平行引线的等效电容
L = 槽路线圈电感
C_L = 电感等效电容
C_LP = 电感焊盘等效电容
C_cent = 用于确定中心振荡频率的槽路电容
C_coup = 槽路电容，用来将变容二极管耦合至槽路
C_var = 变容二极管电容的变化量
C_vp = 变容二极管焊盘电容
L_S = 变容二极管串联电感
R = 变容二极管反向偏置电阻的阻值

为简化分析，设计中忽略了电感L_T。L_T 通常对高频端影响较大，为了用下面的电子表格描述L_T所产生的频率偏差的数学模型，可适当增大C_DIFF，减小L_T以避免产生所不希望的串联谐振。这一点可通过缩短引线实现。

调谐增益

为获得最佳的闭环相位噪声特性应尽可能降低调谐增益(K_vco)，环路滤波器的电阻和电阻“R” (图2)会产生宽带噪声，宽带热噪声()将按照K_vco调制VCO输出，用单位MHz/V表示。减小K_vco的途径有两条：一是降低压控振荡器的调谐范围；第二种方法是增大所允许的调节电压范围。要在保证足够的VCO调谐频率范围的前提下减小其调谐范围，需要选用容差极小的元器件，后面将对这一点作详细描述。为扩大电压调节范围，需采用电荷泵电路以提供适当的电压范围，这种方式一般需要采用更高的V_cc。MAX2360允许的电压调节范围是：0.5V至Vcc-0.5V。电池供电应用中，电压调节范围受电池电压或稳压器的制约。

免调节设计的基本概念

VCO槽路设计中需对实际部件进行误差分析，为了设计一个振荡在固定频率(f_osc)的VCO，必须考虑元件误差。在设计调谐增益(K_vco)时必须将这些元件容差考虑进去。元件容差越小、可能产生的调谐增益越小，闭环相位噪声就越低。考虑误差最大的情况，可以用以下三种VCO模型表示：

1. 元件最大值(式5)
2. 标准谐振电路，对应于元件标称值(式2)
3. 元件最小值(式4)

三种VCO模型都必须覆盖所期望的标称频率，图5描述了如何将三种设计统一起来，以便提供可行的设计方案。从式1和图5可以看出：元件最小值对应于振荡频率的高频端偏移，而元件最大值对应于振荡频率的低频端偏移。

图5. 极端情况下的槽路中心频率和标称中心频率

为保证槽路的闭环相位噪声最小，需尽可能减小调谐范围。但要注意在考虑系统最大容差时仍能覆盖标准振荡频率。元件值分别达到最大和最小时，槽路的调谐范围尽量靠近所期望的振荡频率的边沿，考虑到系统容差对式2加以修正，可得最大误差时对应的振荡频率式5：

EQN4

EQN5

T_L = %电感(L)的容差
T_CINT = %电容(C_INT)的容差
T_CCENT = %电容(C_CENT)的容差
T_CCOUP = %电容(C_COUP)的容差
T_CV = %变容二极管电容(C_V)的容差

式4和式5假设偏差量没有容差。

一般设计过程

步骤1

估算或测量焊点的寄生电容或其它寄生电容：用Boonton 72BD电容计对MAX2360评估板进行测试，测得寄生电容为：C_LP = 0.981pF、C_VP = 0.78pF、C_DIFF = 0.118pF。

步骤2

确定电容C_int：这个参数在MAX2360/MAX2362/MAX2364数据资料的第5页查找到，谐振端口的1/S11随频率变化的典型工作特性给出了几个常用频点时的等效并联RC参数，附录B包含了槽路端口频率在高频端和低频端时C_int与频率的对应关系表。需要牢记的是本振频率为IF频率的两倍。

例如：

如果IF为130MHz，本振工作频率为260MHz。由1/s11图表可得R_n = -1.66kΩ、C_int = 0.31pF。

步骤3

选择电感：最好从几何平均值入手，这是一个需要重复迭代的过程。

EQN6

上式中电感、电容的单位分别用nH、pF表示(1x10^-9 x 1x10^-12 = 1x10^-21)。如果f_osc = 260.76MHz、L = 19.3nH，则槽路总计电容为C = 19.3pF。最初选择容差为2%、电感量为18nH的Coilcraft 0603CS-18NXGBC比较恰当。

如果选择电感具有一定的局限性时，式6.1将是一个很有用的公式。对于一个固定振荡频率f_osc，LC的乘积应保持恒定。

EQN6.1

f_osc = 260.76MHz时，LC = 372.5，按照表1采用试凑的方法可以得到：电感取39nH、容差为5%，而槽路总电容为9.48pF。此时，图6中LC乘积为369.72，非常接近理论值372.5。由此可以看出上述关系时的实用性。为保证较低的相位噪声，选用高Q值电感，如：Coilcraft 0603CS系列，如果能够合理控制微带线的容差和Q值，也可选用微带线。

图6. 130.38MHz IF槽路

步骤4

确定锁相环(PLL)的合理范围：该参数表示VCO整个调谐电压(V_tune)的工作范围，对于MAX2360，适当范围为：0.5V至V_CC-0.5V，如果V_CC = 2.7V，则调谐电压范围为：0.5V至2.2V，电荷泵输出限定这一范围。槽路电压摆幅为1V_P-P、电压摆幅的中点为1.6V直流，即使选用较大的C_coup，变容二极管也不会产生正偏。这是一个需要避免的情况，因为二极管将会影响槽路引脚上的交流信号，产生所不期望的杂散响应、造成闭环PLL的失锁。

步骤5

选择变容二极管，在所规定的调谐电压范围内选择容差较小的变容二极管，并保证串联电阻最小，确认变容二极管的自共振频率高于所期望的工作频率。在规定的工作电压范围内察看C_V(2.5V)/C_V(0.5V)的比率。如果选择较大的耦合电容C_coup，最大调谐范围可利用式2计算；如果选择较小的耦合电容C_coup，将会降低有效的频率调谐范围。选择变容二极管时需给出调谐范围的中点和端点处的容差，可以选择一个特性曲线较陡峭的变容二极管，如Alpha SMV1763-079，进行线性调节。取槽路总电容、并将其用于变容二极管的Cjo。注意，C_coup会降低变容二极管耦合到槽路的电容。

步骤6

确定耦合电容C_coup：C_coup较大时，变容二极管耦合到槽路的电容较大、使调谐范围增大，但会降低槽路加载后的Q值。C_coup较小时，会提高耦合变容二极管的Q值和加载后的Q值，但它是以减小调谐范围为代价的。通常是在保证调谐范围的前提下尽可能选择小的容量值。选择较小C_coup的另一个好处是可以降低变容二极管两端的电压摆幅。

步骤7

确定电容C_cent。一般C_cent取2pF，考虑到电容误差也可选用稍微大一点的电容。利用C_cent调整VCO的标准频率。

步骤8

按照制作的电子表格推敲设计参数。

MAX2360在130.38MHz、165MHz和380MHz IF时的VCO槽路设计

下列电子表格给出了MAX2360在几个通用IF频点的设计，请牢记：LO振荡频率应为所期望的IF频率的两倍。

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

表1. 130.38MHz IF槽路设计

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 130.38MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	10.9296pF	10.1242pF	11.6870pF
1.375V		Ct mid	9.4815pF	8.4068pF	10.4077pF
2.2V		Ct low	8.0426pF	6.9014pF	9.0135pF

Tank Components		Tolerance
C coup		18pF	0.9pF	5%
C cent		2.7pF	0.1pF	4%
C stray		0.69pF
L		39nH	5.00%
C int		0.31pF	10.00%

Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.08pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to \|\|	C diff	0.118pF
Var. pad	C vp	0.78pF

Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	82pF		Varactor Tolerance
Vj	17V		0.5V	19.00%
M	14		1.5V	29.00%
Cp	0pF		2.5V	35.00%
Rs	1Ω		Reactance
Ls	1.7nH		X Ls	2.79
Freq	260.76MHz

Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.64697pF	-11.16897	72.80216pF
Cv mid	27.60043pF	-22.11379	31.57772pF
Cv low	14.92387pF	-40.89758	16.01453pF

Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.26404pF	-13.78885	55.46841pF
Cv mid	19.59631pF	-31.14619	21.52083pF
Cv low	9.700518pF	-62.91935	10.14983pF

Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.02989pF	-9.385688	92.47168pF
Cv mid	35.60456pF	-17.14248	42.51182pF
Cv low	20.14723pF	-30.2945	22.18712pF

	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range


F low	243.77MHz	129.93MHz	121.89MHz	115.03MHz
F mid	261.73MHz	142.59MHz	130.86MHz	121.90MHz
F high	284.18MHz	157.37MHz	142.09MHz	130.98MHz
BW	40.40MHz	27.44MHz	20.20MHz	15.95MHz
% BW	15.44%	19.24%	15.44%	13.09%

Nominal IF Frequency			130.38MHz

Design Constraints
Condition for bold number		<IF	=IF	> IF


Delta		0.45	-0.48	0.60
Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.48	MHz
Inc or dec BW			-1.05	MHz
Cent adj for min BW			130.46	MHz

K vco	23.77MHz/V

图7. 165MHz IF槽路

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

表2. 165MHz IF槽路设计

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 165MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	10.0836pF	9.2206pF	10.8998pF
1.375V		Ct mid	8.5232pF	7.3878pF	9.5095pF
2.2V		Ct low	7.0001pF	5.8130pF	8.0193pF

Tank Components		Tolerance
C coup		18pF	0.9pF	5%
C cent		1.6pF	0.1pF	6%
C stray		0.62pF
L		27nH	5.00%
C int		0.34pF	10.00%

Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.011pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to \|\|	C diff	0.118pF
Var. pad	C vp	0.78pF

Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	82pF		Varactor Tolerance
Vj	17V		0.5V	19.00%
M	14		1.5V	29.00%
Cp	0pF		2.5V	35.00%
Rs	1ohm		Reactance
Ls	1.7nH		X Ls	3.52
Freq	330.00MHz

Nominal Varactor		X c	Net Cap
Cv high	54.646968pF	-8.8255163	90.986533pF
Cv mid	27.600432pF	-17.473919	34.574946pF
Cv low	14.923873pF	-32.316524	16.750953pF

Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
Cv high	44.264044pF	-10.895699	65.431921pF
Cv mid	19.596307pF	-24.611153	22.872103pF
Cv low	9.7005176pF	-49.717729	10.440741pF

Positive Tol Varactor (High Capacitance)
Cv high	65.029892pF	-7.4164003	123.93257pF
Cv mid	35.604558pF	-13.545673	48.128632pF
Cv low	20.147229pF	-23.938166	23.626152pF

	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range


F low	305.02MHz	163.63MHz	152.51MHz	143.15MHz
F mid	331.77MHz	182.81MHz	165.88MHz	153.26MHz
F high	366.09MHz	206.08MHz	183.04MHz	166.90MHz
BW	61.07MHz	42.45MHz	30.53MHz	23.74MHz
% BW	18.41%	23.22%	18.41%	15.49%

Nominal IF Frequency			165MHz

Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF


Delta		1.37	-0.88	1.90
Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-0.88	MHz
Inc or dec BW			-3.26	MHz
Cent adj for min BW			165.26	MHz

K vco	35.92MHz/V

图8. 380MHz IF槽路

浅灰色代表计算值

深灰色代表用户的输入参数

表3. 380MHz IF槽路设计

MAX2360 Tank Design and Tuning Range for 380MHz IF Frequency
Total Tank Capacitance vs. V tune
V tune		Total C	Ct (Nominal)	Ct (Low)	Ct (High)
0.5V		Ct high	6.9389pF	6.6119pF	7.2679pF
1.35V		Ct mid	6.2439pF	5.9440pF	6.5449pF
2.2V		Ct low	5.7813pF	5.5040pF	6.0593pF

Tank Components		Tolerance
C coup		15pF	0.8pF	5%
C cent		2.4pF	0.1pF	4%
C stray		1.42pF
L		6.8nH	2.00%
C int		0.43pF	10.00%

Parasitics and Pads (C stray)
Due to Q	C L	0.08pF
Ind. pad	C Lp	0.981pF
Due to \|\|	C diff	0.85pF
Var. pad	C vp	0.78pF

Varactor Specs
Alpha SMV1255-003
Cjo	8.2pF		Varactor Tolerance
Vj	15V		0.5V	7.50%
M	9.5		1.5V	9.50%
Cp	0.67pF		2.5V	11.50%
Rs	0.5Ω		Reactance
Ls	0.8nH		X Ls	3.82
Freq	760.00MHz

Nominal Varactor		X c	Net Cap
C_V high	6.67523pF	-31.37186	7.600784pF
C_V mid	4.286281pF	-48.8569	4.649858pF
C_V low	2.904398pF	-72.10251	3.06689pF

Negative Tol Varactor (Low Capacitance)
C_V high	6.174588pF	-33.91552	6.958364pF
C_V mid	3.879084pF	-53.98553	4.174483pF
C_V low	2.570392pF	-81.47176	2.696846pF

Positive Tol Varactor (High Capacitance)
C_V high	7.175873pF	-29.18313	8.256705pF
C_V mid	4.693477pF	-44.61818	5.132957pF
C_V low	3.238404pF	-64.66593	3.441726pF

	Nominal LO (Nom) Range	Low Tol IF (High) Range	Nominal IF (Nom) Range	High Tol IF (Low) Range


F low	732.69MHz	379.11MHz	366.35MHz	354.43MHz
F mid	772.40MHz	399.84MHz	386.20MHz	373.50MHz
F high	802.70MHz	415.51MHz	401.35MHz	388.17MHz
BW	70.00MHz	36.41MHz	35.00MHz	33.74MHz
% BW	9.06%	9.11%	9.06%	9.03%

Nominal IF Frequency			380MHz

Design Constraints
Condition for bold number		< IF	= IF	> IF


Delta		0.89	-6.20	8.17
Test		pass	pass	pass
Raise or lower cent freq by			-6.20	MHz
Inc or dec BW			-9.07	MHz
Cent adj for min BW			383.64	MHz

K vco	41.18MHz/V

附录A

图9. 变容二极管模型

Alpha应用笔记AN1004对变容二极管模型提供了更多信息。变容二极管电容定义为式7：

EQN7

Alpha SMV1255-003	Alpha SMV1763-079
C_jo = 82 pF	C_jo = 8.2 pF
V_j =17 V	V_j =15 V
M = 14	M = 9.5
C_p = 0	C_p = 0.67
R_s = 1Ω	R_s = 0.5Ω
L_s = 1.7 nH	L_s = 0.8 nH

变容二极管串联电感可以用反向输出的感抗表示，计算新的等效电容C_V为：

EQN8

参考文献

Chris O'Connor, Develop Trimless Voltage-Controlled Oscillators, Microwaves and RF, July 1999.
Wes Hayward, Radio Frequency Design, Chapter 7.
Krauss, Bostian, Raab, Solid State Radio Engineering, Chapters 2, 3, 5.
Alpha Industries Application Note AN1004.
Coilcraft, RF Inductors Catalog, March 1998, p.131.
Maxim, MAX2360/MAX2362/MAX2364数据资料版0
Maxim, MAX2360评估板数据资料版0